Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han identificado similitudes clave entre el comportamiento de los materiales granulares y los geles que se derriten. Descubrieron que los lechos de arena que caen comparten el mismo mecanismo de desestabilización que la gelatina que se derrite cuando se calienta desde abajo, particularmente cómo los parámetros clave escalan con el espesor de la región fluidizada. Sus hallazgos, publicados en Scientific Reports , proporcionan avances importantes en nuestra comprensión de la desestabilización bajo la gravedad, como se ve en avalanchas, deslizamientos de tierra y procesos de transporte industrial.

La arena y la gelatina pueden no parecerse mucho, pero tienen propiedades físicas similares. La arena está formada por miles de millones de granos de material sólido, que pueden verterse como un líquido y obstruir las tuberías como un sólido. Los materiales como las soluciones de gelatina se vierten como un líquido a alta temperatura, pero de repente adquieren propiedades sólidas cuando se enfrían. Mirando los detalles microscópicos, es evidente que la solidez de los geles está respaldada por redes de polímeros o proteínas que entrecruzan un material; esto es similar a cómo las "cadenas de fuerza", redes de granos que se empujan entre sí, dan lugar a la aparente solidez de la arena. Esta fascinante unión de comportamiento sólido y líquido forma la columna vertebral de muchos fenómenos naturales, como avalanchas y deslizamientos de tierra, pero aún no se comprende bien.

Estas similitudes inspiraron al Dr. Kazuya Kobayashi y al profesor Rei Kurita de la Universidad Metropolitana de Tokio a comparar directamente geles físicos y lechos de arena a medida que se fluidifican. Observaron la fluidización de lechos delgados de soluciones de arena y gelatina usando cámaras de alta velocidad. Para la arena, se invirtieron lechos de granos preformados en aire o agua y se observaron a medida que la base comenzaba a caerse. Para la gelatina se prepararon dos capas con diferentes concentraciones de gelatina, una encima de la otra. Las concentraciones se eligieron de modo que la capa inferior se fluidificara por completo primero. Como el material se calienta desde abajo, la capa superior se desestabilizaría y comenzaría a caer.

En ambos sistemas, el equipo encontró inestabilidades de digitación, donde delgados dedos de material caen en el material (o aire/agua) debajo, como gotas de lluvia que caen por una ventana. Con el tiempo, aparecerían nuevos dedos entre los existentes, y la interfaz entre las partes líquidas y sólidas retrocedería. Mediante el uso de una técnica de imagen especial, el equipo también pudo identificar una región de interfaz "fluidificada" por encima de donde realmente comienzan los dedos. Se encontró que el grosor de esta región estaba fuertemente correlacionado con parámetros clave como la velocidad a la que retrocede el frente y la distancia entre los dedos. Este tipo de relación se denomina relación de "escala" y es importante en física para conectar fenómenos que inicialmente pueden parecer diferentes pero que pueden estar relacionados en un nivel más profundo a través de sus mecanismos. En este caso, esta es una fuerte evidencia de cómo las similitudes entre los materiales, es decir, la conectividad de una red portadora de fuerza, subyace a su comportamiento físico macroscópico.

A través de sus extensos experimentos, el trabajo del equipo ofrece información valiosa sobre cómo los materiales granulares y los geles se desestabilizan bajo la gravedad, con implicaciones tanto para los fenómenos de fluidización en la naturaleza como para el diseño de sistemas de transporte de materiales granulares a escala industrial. + Explora más

La 'arena mágica' podría ayudarnos a comprender la física de la materia granular